宇宙起源与阿里原初引力波探测

20世纪建立起的宇宙大爆炸模型取得了巨大的成功,但仍期待着新的革命性的突破。探知宇宙起源及其演化是新世纪对全世界科学家的新挑战,其重要性在近期公布的中国"十三五"规划纲要中得到了高度的肯定。现代宇宙学理论,暴胀以及非奇异宇宙模型如反弹等,预言了原初引力波的存在,但至今还没有被实验证实。不同于近期LIGO合作组探测到的黑洞引力波,原初引力波是宇宙诞生时期产生的,携带着丰富的宇宙学信息,是引力波探测的全新波段,是引力波探测的下一个突破方向。文章简述了中国的阿里原初引力波实验计划及相关的科学问题。     

《中国光学》“空间引力波探测”专题征稿

正2016年2月12日,美国LIGO地面引力波探测实验组正式宣布人类历史上第一次直接观测到了宇宙中双黑洞并合产生的引力波信号,开启了迈向引力波天文学的新纪元。2017年10月3日,2017年诺贝尔物理学奖授予三位LIGO引力波实验组的科学家,以奖励他们在"LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献"。2017年10月16日,美国LIGO和意大利室处女座引力波天文台(Virgo)联合宣布于2017年8月17日首次     

探索的历程——引力波的发现

正2016年11日是个值得纪念的日子,这一天美国科学家对外宣布探测到引力波,这是人类首次直接探测到了引力波,同时也验证了已有百年的爱因斯坦广义相对论预言的引力波的存在。这次成果是分别由位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到的。下面就让我们回顾一下围绕引力波发生的那些事……图1,1916年6月,爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪。根据广义相对论,引力是质量巨大物体周围时空的扭曲。爱因斯坦认为时空会产生涟漪并产生"引力波"并以光     

多波段引力波宇宙研究和空间太极计划

正1.引言2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)实验组宣布直接观测到由两颗恒星级黑洞在十多亿年前并合后产生的引力波;时隔仅仅四个月,在6月16日LIGO宣布再一次观测到双黑洞合并产生的引力波信号。这两次实验结果不仅是对100年前爱因斯坦广义相对论所预言的引力波的直接验证,更为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段,也为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础。通过探测各个频段的引     

认识和探测宇宙的基本方法介绍

人类对宇宙最早的认识和观测始于可见光,之后由于有1865年麦克斯韦对电磁波的预言,1887年赫兹的证实,以及1933年杨斯基发现银河系的射电辐射,可见光观测自此扩展到电磁波多波段观测,出现了多波段天文学。1912年,赫斯发现宇宙线,使得天文观测在电磁波观测之外多了一种手段,拉开了多信使天文学的序幕。1987年,戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号,这也是人类首次探测到了来自宇宙的中微子,至此又多了一种认识和观测宇宙的信使。此后,2016年美国激光干涉引力波观测站LIGO探测到引力波,在补齐对于验证爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图的同时,也使得引力波成为多信使天文学中最新引入的一种信使。本文介绍了电磁波、宇宙线、中微子、引力波这四种信使的基本概念、发现历史以及探测宇宙的基本原理,对其代表性的实验进行了收集整理,并就其中的一个典型实验进行了简要介绍。期望能够就多波段多信使天文学的发展历程给出一个比较完整的描摹。     

从流浪地球到宇宙迷航——2019年诺贝尔物理学奖解读

2019年诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域,诺奖委员会给出的理由是"为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献"。这两个领域在近二三十年内展现出了蓬勃的生机,系外行星和外星生命的研究到了本世纪伴随先进技术的发展有了爆发式的发现;进入新世纪后,宇宙学领域已经获得4次诺贝尔奖,分别是宇宙背景探测者卫星、宇宙加速膨胀的发现、引力波的探测,以及此次诺贝尔物理学奖,它们使当代宇宙学获得了广阔的发展前景。文章就本次诺奖热点话题展开,对系外行星和宇宙学两大领域做概括性的科普解读。具体介绍马约尔和奎洛兹在系外行星领域的发现,系外行星的探测手段和发展前景,以及宇宙学领域的发展简史,皮布尔斯在该领域的贡献,和目前宇宙学领域的一大研究热潮,即原初引力波的探测。作者借此文抛砖引玉,期待更多年轻学者能加入到天文学和宇宙学的研究中,在新时代的浪潮下推动该领域获得更重大的突破。     

从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已确认的双中子星并合引力波探测结果 1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果 1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.     

引力波与引力波探测:一个全新的空间信息通道

简述了引力波探测的历史,介绍了对质量谐振探测器、地面激光干涉引力波探测器、空间激光干涉引力波探测器,以及引力波在宇宙微波背景上极化效应的相关探测方案,评述了微波频带的高频引力波探测方案.     

双中子星的并合及其引力波和电磁信号

2017年,轰动世界的引力波事件GW170817被确认来自于双中子星的并合。这是人类历史上首次探测到这种极端、剧烈的天体物理事件。双中子星是两个致密天体——中子星组成的系统,由双恒星系统经历漫长演化后形成。文章将从双中子星并合前、并合过程中与并合后全面地描述这种剧烈的天文现象,走进一段神奇而迤逦的旅程。未来随着引力波观测设备的升级,有望再次看到来自宇宙深处的引力波以及伴随的丰富多彩的电磁信号。     

一“波”发现

正James Hough教授娓娓讲述了过去30年从建造引力波探测器原型到革命性地发现引力波的故事。1989年初,我在《物理世界》里写道:"引力波会被探测到,那时它将打开一个全新的天文学窗口。"在刚过去的3年里,我们共探测到了6例引力波。我很高兴地看到,文章中的很多预言都变成了现实。在约一个世纪以前,爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存     

从2017诺贝尔物理学奖展望新加坡未来科学的发展方向

<正>2017年诺贝尔物理学奖颁给了3位在引力波领域作出突出贡献的美国物理学家,他们分别为麻省理工学院雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院基普·索恩(Kip S.Thorne)和巴里·巴里什(Barry C.Barish)。引力波是一百年前爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,被视为宇宙中的"时空涟漪"。在广义相对论中,引力产生的效果又可以用时空扭曲解释。广义相对论场方程,是一个和时空度规有关的二阶非线性偏微分方程。探测到的引力波是通过光的干涉探测器感知空间被扭曲的微小变化。空间扭曲引发光的干涉条纹发生轻微抖动。引力波可能是宇宙公认的传播媒介,探     

基于强磁场和弱光子流检测的高频引力波探测系统

正一、引言2016年2月11日,美国国家自然科学基金委员会,携美国加州理工、麻省理工以及美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observation,简称LIGO)合作团队,发布了LIGO探测到引力波证据的报道。据悉,这是一个来自13亿光年之遥的两个巨大黑洞合并过程产生的中频引力波(频率从35Hz到250Hz),这一引力波在地球上的     

黑洞的前世今缘

2015年9月14日科学家首次探测到引力波信号,2015年12月26日,2017年1月4日,2017年8月14日,2017年10月16日又分别再次探测到来自宇宙空间的引力波信号,其中前四次都是由两个较小质量的黑洞合并成较大质量的黑洞后,损失的质量变成能量以引力波的形式释放了出来。这些成果都成为黑洞存在的无可置疑的明证,那么究竟什么是黑洞?它是怎么形成的?有哪些性质和特征?人类又怎么去探测它?文章给出一些主流的解释,进一步开阔人们的视野,使得人们更深刻地感受宇宙的神奇和魅力。     

收听黑洞的宇宙哼鸣

正最近对来自外空间的引力波的探测将天文学引领到一个新纪元。至今,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和Virgo的团队已观察到来自一些黑洞并合以及一对双中子星并合的引力波。但是所探测到的这些事件只不过是冰山一角。估计在宇宙中质量与恒星质量相当的一对黑洞,每几分钟便发生一次并合。双中子星每15秒左右发生一次并合。然而只有少数这种并合发生在足够近处,而能被探测到。澳大利亚Monash大学的Rory Smith和Eric     

解密引力波——时空震颤的涟漪

引力波由时空弯曲引起,并以光速传播.爱因斯坦通过广义相对论预言了引力波的存在.2015年9月14日LIGO引力波天文台首次探测到引力波信号,这是人类首次直接探测到引力波,也是首次探测到双黑洞并合事件.我们特别邀请LIGO科学联盟的两位教授从他们的实际科研工作出发,向我们详细解密引力波的前世今生.     

用电磁方法探测高频引力波

 一、高频引力波不能使用传统方法进行探测根据广义相对论的预言,利用引力波的潮汐效应,可以对引力波进行探测。最早的引力波探测方法是共振质量法,其典型装置除韦伯棒(WeberBar)外,还有ALLEGRO(美国)、EXPLORER(意大利)等。它们的共同特点是将棒状或球状质量作为引力波的耦合天线,如果天线接收到了引力波信号,则天线上的不同部分之间将发生伸缩效应,利用声电转换(比如压电效应)可以将机械振动转换成电信号,测量电信号就可以确认是否探测到了引力波信号;这一类引力波探测装置对引力波共振的频率一般为102104Hz.     

引力波背景噪声

正假设LIGO最近探测到的黑洞融合不是不寻常的,由此研究人员修正了他们的背景噪声强度估计,这噪声来自四面八方遥远融合事件的总和,穿越整个宇宙。最近,引力波(它源自一对正在融合的黑洞)被成功探测;这意味着存在大量类似的双黑洞对,它们应该正在产生一个引力波总和背景。不过,这背景过于暗淡,以致于使用目前的技术难于探测。使用这些信息,研究人员现在估计,这一引力波背景可能比先前预期的要强约10倍,并且在几年后(当探测仪更加     

封面故事

正阿里天文观测基地位于"世界屋脊"——西藏的阿里地区,海拔5100米,是北半球首个海拔超5000米的天文台,将成为我国科学家探测原初引力波的重要基地,这对研究宇宙起源理论(暴胀模型,反弹模型等)意义重大。阿里地区海拔高、云量少、水汽低、透明度高,是北半球开展CMB观测、寻找原初引力波实验的     

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。     

基于普通物理分析LIGO引力波数据

LIGO小组首次直接探测到双黑洞并合过程中产生的引力波辐射,打开了观测宇宙的一个全新窗口.本文利用牛顿力学,量纲分析,以及将引力波与电磁波类比等方法分析了LIGO小组观测到的引力波数据.这些简单的分析能够解释LIGO数据的主要物理结论,估算结果在数量级上与LIGO数据基本一致.本文对黑洞质量,引力波源到地球的距离,双黑洞并合前的初始距离,以及辐射的总能量等参数的估算与LIGO和VIRGO小组给出的结论基本一致.(2017美国物理教师协会)